Спосіб заправлення бака ракети-носія рідким киснем

Реферат: Спосіб заправлення бака ракети-носія рідким киснем базується на подаванні рідкого кисню у киплячому стані на нижнє днище бака та відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака й витратної магістралі рідким киснем у киплячому стані до заданого рівня заправлення і регулювання температури рідкого кисню у баку для отримання її заданого значення, котре забезпечує безкавітаційний запуск насоса. На початку заправлення бак заповнюють рідким киснем у киплячому стані у кількості, меншій об'єму повного заправлення бака на фіксовану розрахункову величину, котра відповідає кількості переохолодженого кисню з заданою температурою переохолодження, необхідній для подачі на днище бака для забезпечення локального зниження температури рідкого кисню на вході у витратну магістраль до значення, котре відповідає безкавітаційному запуску насоса. Регулювання температури рідкого кисню у баку проводять безпосередньо перед запуском насоса шляхом дозаправлення бака переохолодженим рідким киснем, котрий подають на нижнє днище бака і котрий має температуру переохолодження, що забезпечує після дозаправлення вказане локальне зниження температури рідкого кисню. UA 122794 U (12) UA 122794 U UA 122794 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ракетно-космічної галузі і може використовуватися при заправленні рідким киснем паливних баків ракет-носіїв (РН), переважно баків окислювача. Відомим є спосіб заправлення бака ракети-носія рідким киснем шляхом насосної подачі рідкого кисню у бак і відведення пари кисню з баку у дренаж, що включає заповнення бака рідким киснем і підтримання заданого рівня заправлення бака до старту РН, при цьому заповнення бака виконують рідким непереохолодженим киснем з температурою, яка відповідає температурі його кипіння при атмосферному тиску, а компенсацію втрат кисню у баку від випаровування здійснюють за рахунок живлення рідким киснем із заправної наземної ємності [див. книгу "Космодром" под ред. А.П. Вольского. – М.: Воениздат, 1977. - С. 158, рис. 5.2]. Недоліком цього способу заправлення є його низькі експлуатаційні характеристики, тому що під час запуску рідинного ракетного двигуна (РРД) надходження рідкого непереохолодженого кисню у витратну магістраль, яка зв'язує бак з насосом турбонасосного агрегату (ТНА) РРД, призводить, внаслідок кипіння рідкого кисню, до присутності значної фази пари у насосі рідкого кисню [див. книгу "Ракеты-носители" под ред. С.О. Осипова, М., "Воениздат", 1981, с. 216-217, а також книгу А.А. Козлов и др. "Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок". – М.: Машиностроение, 1988. - С. 233-234]. Наявність фази пари у насосі рідкого кисню погіршує роботу насоса і може призвести до його кавітаційного руйнування і, відповідно, до незапуску та виходу з ладу РРД. Крім того, у початковий момент подачі рідкого кисню у витратну магістраль, внаслідок інерційності стовпа рідини у витратній магістралі, відбувається падіння тиску на вході у насос, яке призводить до утворення фази пари у рідині. Тому у відомому способі заправлення для забезпечення безкавітаційної роботи насоса і забезпечення надійного запуску РРД необхідно підвищити тиск кисню на вході у насос за рахунок підвищення тиску наддування бака, що веде до погіршання експлуатаційних характеристик РН і знижує масу корисного вантажу (KB), що виводять на орбіту, внаслідок збільшення товщини стінок і маси бака окислювача. Найближчим до запропонованого по технічному рішенню є вибраний як прототип спосіб заправлення бака РН рідким киснем, який описаний у патенті України № 80402u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2012 р. Цей спосіб включає заповнення бака рідким переохолодженим киснем до заданого рівня (об'єму) заправки і наступне регулювання середньомасової температури рідкого кисню у баку, яке здійснюють його термостатуванням з використанням теплообмінника з рідким азотом і додаткової ємності, для забезпечення заданої середньомасової температури рідкого кисню наприкінці заправлення, котре дозволяє провести безкавітаційний запуск насоса ТНА при заданому тиску наддування бака. Даний спосіб заправлення дозволяє у порівнянні з заправленням непереохолодженим рідким киснем зменшити тиск наддування бака окислювача за рахунок зниження середньомасової температури (тобто переохолодження) рідкого кисню у баку перед стартом РН (запуском РРД) до значення, що забезпечує безкавітаційний запуск насоса рідкого кисню при зниженому тиску надування бака. Недоліком цього способу заправлення є його невисокі експлуатаційні характеристики, такі як: - складність термостатування великої кількості рідкого кисню, маса якого може складати десятки і більше тон, що потребує значних енерговитрат і зв'язане з експлуатацією складного технологічного обладнання; - при використанні переохолодженого рідкого кисню потрібно нанесення теплоізоляції на поверхню бака, що зв'язано зі збільшенням маси бака окислювача і витрат на його виготовлення. В основу корисної моделі поставлена задача створення удосконаленого способу заправлення бака РН рідким киснем, який би дозволяв підвищити його експлуатаційні характеристики шляхом уведення в нього нових операцій, таких як: - на початку заправлення бак заповнюється рідким киснем у киплячому стані у кількості, меншій об'єму повного заправлення бака на фіксовану розрахункову величину, котра відповідає кількості переохолодженого кисню з заданою температурою переохолодження, необхідній для подачі на днище бака для забезпечення локального зниження температури рідкого кисню на вході у витратну магістраль до значення, котре відповідає безкавітаційному запуску насоса, а регулювання температури рідкого кисню у баку проводиться безпосередньо перед запуском насоса шляхом дозаправлення бака переохолодженим рідким киснем, котрий подається на нижнє днище бака і котрий має температуру переохолодження, що забезпечує після дозаправлення вказане локальне зниження температури рідкого кисню, що дозволяє спростити технологію заправлення рідким киснем бака окислювача ракетного блока при зниженні необхідних енерговитрат. 1 UA 122794 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується таким чином, що у запропонованому способі заправлення бака РН рідким киснем, який базується на подаванні рідкого кисню у киплячому стані на нижнє днище бака та відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака й витратної магістралі рідким киснем у киплячому стані до заданого рівня заправлення і регулювання температури рідкого кисню у баку для отримання її заданого значення, котре забезпечує безкавітаційний запуск насоса, згідно з корисною моделлю, на початку заправлення бак заповнюють рідким киснем у киплячому стані у кількості, меншій об'єму повного заправлення бака на фіксовану розрахункову величину, котра відповідає кількості переохолодженого кисню з заданою температурою переохолодження, необхідній для подачі на днище бака для забезпечення локального зниження температури рідкого кисню на вході у витратну магістраль до значення, котре відповідає безкавітаційному запуску насоса, а регулювання температури рідкого кисню у баку проводять безпосередньо перед запуском насоса шляхом дозаправлення бака переохолодженим рідким киснем, котрий подають на нижнє днище бака і котрий має температуру переохолодження, що забезпечує після дозаправлення вказане локальне зниження температури рідкого кисню. Для пояснення способу заправлення додаються креслення, на яких схематично зображений пристрій, у якому втілюється даний спосіб, та його детальний опис. На кресленнях зображено: - на фіг. 1 - загальний вигляд ракети-носія; - на фіг. 2 - схема заправлення РН рідким киснем. РН, яка встановлена на пускову установку (ПУ) (не зображена), містить ракетний блок першого ступеня (перший ступінь) 1, ракетний блок другого ступеня (другий ступінь) 2 і головний блок (ГБ) 3 (фіг. 1). Перший ступінь 1 містить бак окислювача (рідкого кисню) 4 і бак пального (керосину) 5, які сполучені витратними магістралями 6 і 7, в котрих встановлені відповідно насос окислювача 8 і насос пального 9, з турбіною 10 ТНА у РРД 11. Другий ступінь 2 містить бак окислювача (рідкого кисню) 12 і бак пального (керосину) 13, які сполучені витратними магістралями і насосами окислювача і пального (не зображені) з РРД 14. ГБ 3 містить корисний вантаж (наприклад, космічний аппарат) 15 і розгінний блок (РБ), що включає бак окислювача 16, бак пального 17 і РРД 18. Поблизу днищ баків окислювача 4 і 12 розміщені заправні патрубки відповідно 19 і 20, з'єднані через бортові клапани 21 і 22 з трубопроводами заправлення відповідно 23 і 24 (фіг. 2). Трубопроводи 23 і 24 через клапани 25 і 26 приєднані до наземного трубопроводу заправлення 27 заправної кріогенної ємності 28, яка містить рідкий непереохолоджений кисень з температурою, що відповідає температурі його кипіння при атмосферному тиску. До наземного трубопроводу заправлення кисню 27 через клапан 29 підключений наземний трубопровід подачі переохолодженого кисню 30, що проходить через теплообмінник-охолоджувач 31, виконаний у вигляді кріогенної ємності, заповненої рідким азотом. Всередині цієї кріогенної ємності (теплообмінника-охолоджувача) 31 за допомогою ежектора 32 підтримується розрідження, яке відповідає температурі рідкого азоту, котра забезпечує задану температуру переохолодження рідкого кисню, що проходить по трубопроводу 30. Бак окислювача 16 РБ підключений до трубопроводу подачі переохолодженого кисню 30 бортовим трубопроводом 33, до днища бака 16 підключений також трубопровід 34 відведення рідкого кисню при термостатуванні. У верхній частині бака окислювача 4 першого ступеня 1 встановлений рівнемір 35 для контролю рівня рідкого кисню, а на днищі бака 4 поблизу забірного пристрою 36 витратної магістралі окислювача 6 розміщений датчик температури рідкого кисню 37. Заправний патрубок 19 бака окислювача 4 трубопроводом 38 з клапаном 39 з'єднаний з наземним трубопроводом подачі переохолодженого кисню 30. Заправний патрубок 20 бака окислювача 12 другого ступеня 2, всередині якого є рівнемір і датчик температури (не зображені), трубопроводом 40 з клапаном 41 також з'єднаний з трубопроводом подачі переохолодженого кисню 30. Баки окислювача 4, 12 і 16 мають дренажні магістралі відповідно 42, 43 і 44. Процес заправлення баків РН рідким киснем здійснюється наступним чином. Перед заповненням рідким киснем баків окислювача РН проводять захолодження заправних магістралей баків рідким киснем, котрий подають з заправної ємності 28 по наземному трубопроводу заправлення 27 при закритому клапані 29 з скиданням пари кисню через баки 4 і 12 і дренажні магістралі 42 і 43. Заповнення бака 4 першого ступеня 1 виконують рідким непереохолодженим киснем (у киплячому стані) з ємності 28 через заправний патрубок 19 при відкритих клапанах 25 і 21, рівень рідини у баку фіксують за допомогою рівнеміра 35. При цьому у бак 4 заливають рідкий 2 UA 122794 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 кисень у кількості, меншій заданого об'єму заправлення бака на фіксовану розрахункову величину рідкого кисню, після чого закривають клапани 25 і 21. Ця фіксована кількість недозаправленого кисню, яку попередньо визначають розрахунково-експериментальним шляхом, відповідає кількості переохолодженого кисню з заданою температурою переохолодження, котру необхідно подати на днище бака 4, який містить непереохолоджений рідкий кисень, для забезпечення локального зниження температури кисню на вході у витратну магістраль 6 до значення, що дозволяє провести безкавітаційний запуск насоса рідкого кисню 8 РРД 11 першого ступеня 1 при заданому тиску наддування бака 4. Для кожного конкретного випадку заправлення фіксовану розрахункову кількість рідкого кисню, що недозаправляють у бак, встановлюють виходячи з заданого значення температури переохолодженого кисню, котра забезпечується теплообмінником-охолоджувачем 31. Аналогічним чином виконують заповнення непереохолодженим киснем бака окислювача 12 через заправний патрубок 20 при відкритих клапанах 26 і 22. Заповнення бака окислювача 16 ГБ 3 здійснюють переохолодженим киснем, що надходить з теплообмінника-охолоджувача 31 по наземному трубопроводу заправлення 30 і бортовому трубопроводу 33, при закритих клапанах 39 і 41. Після заповнення бака 16 проводять термостатування в ньому рідкого кисню шляхом відведення частини кисню по трубопроводу 34 у ємність 28 з одночасною подачею у бак переохолодженого кисню по трубопроводу 33 при підтриманні заданого рівня заправлення. Перед стартом РН (запуском РРД) виконують дозаправлення бака 4 першого ступеня 1 рідким переохолодженим киснем з наземного трубопроводу 30 через трубопровід 38, для чого відкривають клапани 39 і 21. Через те що подача переохолодженого кисню йде на днище бака 4, при дозаправленні відбувається локальне зниження температури рідкого кисню у нижній частині бака, де розташований забірний пристрій 36. Оскільки при дозаправленні бака 4 в нього подають фіксовану розрахункову кількість рідкого кисню з заданою температурою переохолодження, при досягненні у баку заданого рівня (об'єму) заправлення температура рідкого кисню у місці розташування забірного пристрою 36 (тобто на вході у витратну магістраль 6) знижується до значення, що забезпечує безкавітаційний запуск насоса 8 РРД 11 першого ступеня 1 при заданому тиску наддування у бака 4. Аналогічним чином здійснюють дозаправлення переохолодженим киснем бака 12 другого ступеня 2 через трубопровід 40 при відкритих клапанах 41 і 22, при цьому наприкінці заправлення температура рідкого кисню у місці розташування забірного пристрою 36 у баку 12 знижується до значення, що забезпечує безкавітаційний запуск насоса РРД 14 другого ступеня 2. Таким чином, запропонований спосіб дозволяє суттєво спростити технологію заправлення рідким киснем бака окислювача ракетного блока при зниженні необхідних енерговитрат, а також дозволяє збільшити масу KB, що виводять на орбіту, за рахунок можливості відмови від теплоізоляції більшої частини поверхні бака окислювача (до 90 %). Випробування баків РН здійснюють за патентом України № 117095u, МПК G01М 3/00, G01М 3/02, G01N 3/00, 2017 р. Газ для наддування баків РН подають від наземного джерела на РН через плати рознімань за патентами України № 114701u, МПК B64G 5/00, F16L 37/00, F17C 6/00 2016 р. та № 114145u, МПК F16L 37/00, F17C 6/00, 2016 р. Термостатування ГБ здійснюють за патентом РФ № 2.570.849, МПК B64G 1/50, B64G 5/00, 2013 р., при цьому повітря для термостатування подають від наземного джерела через повітропровід за патентом РФ № 2.599.083, МПК B64G 5/00, 2015 р. Заправлення баків окислювача РН може здійснюватися за допомогою наземної системи за патентами України № 87525u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2013 р. або № 89997u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2013 р. Бортові трубопроводи можуть виконуватися за патентом України № 88263u, МПК B64G 5/00, F17C 6/00, 2013 р. На заправних комунікаціях можуть встановлюватися: - бортові клапани - за патентом України № 113734, МПК F16K 31/122, 2013 р.; - наземні розніми - за патентом України № 113767, МПК F16L 37/28, 2015 р. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Спосіб заправлення бака ракети-носія рідким киснем, який базується на подаванні рідкого кисню у киплячому стані на нижнє днище бака та відведенні його пари у дренаж і включає заповнення бака й витратної магістралі рідким киснем у киплячому стані до заданого рівня заправлення і регулювання температури рідкого кисню у баку для отримання її заданого 3 UA 122794 U 5 10 значення, котре забезпечує безкавітаційний запуск насоса, який відрізняється тим, що на початку заправлення бак заповнюють рідким киснем у киплячому стані у кількості, меншій об'єму повного заправлення бака на фіксовану розрахункову величину, котра відповідає кількості переохолодженого кисню з заданою температурою переохолодження, необхідній для подачі на днище бака для забезпечення локального зниження температури рідкого кисню на вході у витратну магістраль до значення, котре відповідає безкавітаційному запуску насоса, а регулювання температури рідкого кисню у баку проводять безпосередньо перед запуском насоса шляхом дозаправлення бака переохолодженим рідким киснем, котрий подають на нижнє днище бака і котрий має температуру переохолодження, що забезпечує після дозаправлення вказане локальне зниження температури рідкого кисню. 4 UA 122794 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5